CN85107527B - 光学传感装置 - Google Patents
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Abstract
一种用来测量诸如位移、压力、电压或电场、磁场或电流等物理量的光学传感装置，它消除了由于光源输出和光线传输损耗的起伏所造成的误差。第一和第二光源交替地接通，从而在两种情况下确定它们的输出比。然后对这两种情况下输出之比进行计算，从而给出一个代表被测量值的信号。本光学传感装置是这样安排的，使它能运用除法给出三个比值，从而消除用在该装置中的光源的输出起伏，和用在该装置中的光纤的传输损耗起伏而引起的那些误差项。
Description
本发明涉及一种使用偏振光的光学传感装置，更具体地说，涉及这样一种光学传感装置，它对经由光纤传输的光量进行测量。
图1是一个方框图，它图示说明了一种使用偏振光的普通光学传感装置。在图1所示的配置中有：光源1，光纤2，微透镜3和起偏振镜4;在那里，从光源1发出的光线被微透镜3改变方向，成为平行光束，这个光束在被起偏振镜4转换成线偏振光之前，先通过光纤2。
这个配置还包括光测弹性元件5，1/4波片6，以及把这束光分成两个相互垂直的偏振分量的检偏振镜7，微透镜8和9，光纤10和11，光电探测器12和13，加法器14，减法器15和除法器16。
光测弹性元件5是这样排列的，使得被测量的压力能施加到它的一个面上。由于所施加的压力的作用，便引起双折射现象的产生。例如，假设光测弹性元件5是各向同性的介质，那么在施加压力方向上的折射率，不同于与该方向垂直的那两个方向上的折射率。因此，如果场分量在压力施加方向上的光束和场分量与之垂直的另一光束，同时入射到光测弹性元件5上，则在5的输出中将存在相位差。例如，如果起偏振镜4输出的线偏振光，沿与光轴成45°的方向入射到光测弹性元件5上，则光测弹性元件5的输出光将是椭圆偏振的，其偏振度取决于压力大小。
波片6赋予这个椭圆偏振光一个光偏置，引入90°的相位差，然后检偏振镜7将这个偏振光分解成两个互相垂直的偏振光束。这两束光分别由微透镜8和9聚焦、通过光纤10和11，然后由光电探测器12和13对它们进行光电转换。
光电探测器各输出之间的和与差，由加法器14和减法器15确定而它们的相除是除法器16完成的。这样就得到指示压力大小的输出，这种输出是不受光源1的强度变化影响的。
在对压力进行测量的上述例子中，虽然光测弹性元件5被用作传感器元件，但是法拉第元件或普克尔元件可用在测量磁场或电磁场的场合。
因为光调制的光束从包括光纤2到微透镜9在内的光学传感器配置中出来，然后经由光纤10和11传输，所以这种结构的普通光学传感装置有一个缺点，即由于在光纤10和11之间的光损耗起伏，而引起测量误差。
本发明试图消除这个缺点，因此本发明的目的是提供一种光学传感装置，它能不受光源、光纤等的损耗起伏的影响，对量值进行精确测量。
在依照本发明制作的光学传感装置中，只有两根光纤与光学传感器装置连接，而每根光纤配一个光源，并在其另一端配有光电探测器，而且两个光源根据时分交替地接通。互相垂直的两个偏振分量被反射光学传感器装置调制，并被位于每根光纤端部的光电探测器进行光电转换，而光电探测器与光电探测器之间的一个输出比，是与时分以前的光源产生的输出同步地获得的。运用这种安排的光学传感装置，不受光纤传输损耗起伏的影响。
在本发明的另一个实施例中，为了对两个光源中的一个进行调制，在光学传感器装置的端部加了一个半镀银反射镜，当各自的光源接通时，记录一个光电探测器与另一个光电探测器的输出比，还要记录这两个比值之比，这样，根据本发明构成的光学传感装置，就可以消除光纤中的损耗和光源的起伏的影响。
依照本发明，由于只有两根光纤接到光学传感装置中，每根光纤都配有光源，并在它的另一端配有光电探测器;而且，光源根据时分被交替地接通，然后光电探测器与光电探测器输出之比相除，获得与被测的量成比例的输出，所以，光纤中的所有传输损耗起伏的影响均被避免。
图1是普通光学传感装置的方框图;
图2是本发明的光学传感装置一个实施例的方框图;
图3是本发明的光学传感器装置的另一个实施例的方框图。
现在参照附图，叙述本发明推荐的两个实施例。
在图2所示的配置中有：象发光二极管一类的光源1-1和1-2;分束器17-1和17-2，它们分别把光源1-1和1-2发出的光线导向微透镜3-1和3-4，还能把微透镜3-1和3-4出射的光束分别引向光电探测器12和13;光纤2-1和2-2;微透镜3-2和3-3;用作起偏振镜的偏振光束分束器4;调制器元件5，它是一个普克尔元件，在它里面，偏振光被电场所调制;1/8波片6-1;全反射镜18;用来交替地接通光源1-1和1-2的驱动电路19;用来产生光电探测器与光电探测器（12与13）输出比的除法器16;还有一个计算器20，它借助于驱动电路19的同步信号，计算当光源1-1接通时光电探测器与光电探测器输出比与光源1-2接通时同类输出之比的比值，从而计算与被测量值成比例的输出值。
在这样结构的光学传感装置中，当光源1-1接通时，能通过分束器17-1的光被微透镜3-1聚焦，然后入射至光纤2-1。该光束被微透镜3-3转换成平行光束，经由偏振光束分束器4，以一定方向偏振的偏振光（透射光）入射到普克尔元件5，而偏振方向与前者垂直的任何其它线偏振光（反射光），均在与微透镜3-3相反的方向上出射，因此不用。通过普克尔元件5的光线在其中经历电-光效应，并由于电场作用产生双折射现象。虽然这束光被1/8波片6-1再次给予光偏置，但这与允许光束通过1/4波片一次的情况等效。
这束光被普克尔元件5再次调制，并被偏振光束分束器4分解成互相垂直交叉的两束偏振光，它们分别入射到微透镜3-2和3-3。前者又回到前述的路径，并被分束器17-1分束，然后由光电探测器12对其进行光电转换。另一方面，后者被微透镜3-3聚焦，通过光纤2-2，并由微透镜3-4将它变成平行光束，再由分束器17-2对其分束，然后进入光电探测器13，以进行光电转换。当光源1-2接通时，虽然也发生同样的现象，但在这种情况下，是从偏振光束分束器4反射的光入射到普克尔元件5。
换句话说，要进行下列运算：
当光源1-1接通时，
光电探测器12的输出是D1-1，
光电探测器13的输出是D2-1，
当光源1-2接通时，
光电探测器12的输出是D1-2，
光电探测器13的输出是D2-2;它们的值分别是：
D1-1∝P1·1/2·K1·1/2·（β1+α）·K1·1/2 （1）
D2-1∝P1·1/2·K1·1/2·（β1-α）·K2·1/2 （2）
D1-2∝P2·1/2·K2·1/2·（β1-α）·K1·1/2 （3）
D2-2∝P2·1/2·K2·1/2·（β1+α）·K2·1/2 （4）
式中：
P1为光源1-1的强度，
P2为光源1-2的强度，
1/2为分束器17-1的耦合因子，
K1为光纤2-1的传输系数（包括微透镜3-1和3-2），
K2为光纤2-2的传输系数（包括微透镜3-3和3-4），
1/2为分束器17-2的耦合因子，
α为入射到偏振光束分束器4上，并经偏振光束分束器4、普克尔元件5、1/8波片6-1、全反射镜18出射的调制光的传输系数，
β1为未调制光的传输系数。
1/2为偏振光束分束器4的阻尼系数。
如果表达式（1）除以表达式（2），表达式（3）除以表达式（4），则分别得到下列表达式：
D1-1/D2-1∝（β1+α）/（β1-α）·K1/K2 （5）
D1-2/D2-2∝（β1-α）/（β1+α）·K1/K2 （6）
如果表达式（6）除表达式（5），则有：
∝（β+α）2/（β-α）2
这样，就消除了取决于光源强度和光纤传输损耗的一些因子。
因为通过多次相除，未调制光的传输系数β1就不受光源和光纤损耗起伏的影响，并且等于1/2，所以可以得到精确的α值（α值与被测的量成比例）。
除法器16用在第一光源1-1接通时和第二光源1-2接通时，求得光电探测器与光电探测器（12和13）之间的两个输出比，而计算器20则用第二个比除第一个比，以便计算与被测的量成比例的输出。
在上述实施例中，虽然普克尔元件用作调制器元件，但也可以使用氧化硅铋（Bi12SiO20）元件。当要测量电场或电压时，可以把1/8波片插在起偏振镜和调制器元件之间;当要测量电流的磁场时，氧化锗铋和氧化硅铋元件的长度是这样确定的，即能利用元件的旋光本邻把偏振面旋转45°。
具有光测弹性效应的材料可用作调制器元件，当测量压力时，可把1/8波片插在起偏振镜和调制器元件之间。法拉第元件也可用作调制器元件。此外，偏振光束分束器可用作分束器17-1和17-2。
现在参照附图3，叙述本发明推荐的第二个实施例。在图2和图3中，用同样的参考号码来标注同样的元件。
在图3所示的配置中有：光源1-1和1-2;分束器17-1和17-2，它们分别用来导出光源1-1和1-2发出的光线，以及把微透镜3-1和3-4出射的光分别引向光电探测器12和13;光纤2-1和2-2;微透镜3-2和3-3;用作起偏振镜的偏振光束分束器4;按照电场对偏振光进行调制的调制器元件5（普克尔元件）;1/8波片6-1;半镀银反射镜21;用来交替地接通光源1-1和1-2的驱动电路19;用来计算光电探测器12和13的输出比的除法器16;还有借助于驱动电路19发出的同步信号、对光源1-1和光源1-2分别接通时所获得的光电探测器12和13的输出比值求比的计算器20，靠计算器20的计算就能得到与被测的量成比例的输出。
在这种构造的光学传感装置中，光源1-1接通时，光线能通过分束器17-1，由微透镜3-1聚焦，然后入射到光纤2-1。该光束由微透镜3-2转换成平行光束，再由偏振光束分束器4转换成线偏振光，然后入射到普克尔元件5，因而，由于电场作用，光线经历电-光效应，产生双折射现象。虽然由于有一半的光线被半镀银反射镜21反射，并再次通过1/8波片6-1而被偏置，但这与光线通过1/4波片一次的情况是等效的。
被反射的光线再次通过普克尔元件5，并被它再次调制，然后被偏振光束分束器4进行光强度调制。而且，该光线再次通过微透镜3-2、光纤2-1和微透镜3-1，并在入射到光电探测器12以前被分束器17-1分束。
透过半镀银反射镜21的光线，即使在加上电场的情况下也不受光强度调制的影响。该光线入射到微透镜3-3上，通过微透镜3-4，在分束器17-2中分束，然后入射到光电探测器13上。
其后，当光源1-2接通时，光线通过分束器17-2、微透镜3-4、光纤2-2和微透镜3-3。有一半的光线被半镀银反射镜21反射，并沿上述的路径返回，在光电探测器13中进行光电转换。透过半镀银反射镜21的那一半光线，虽然通过1/8波片6-1、普克尔元件5和偏振光束分束器4，然后入射到微透镜3-2上，但它是抗电场所致的光强度调制的。该光线通过光纤2-1、微透镜3-1、被分束器17-1分束，然后被进行光电转换。
光源1-1和2-1是被驱动电路19根据时分交替地接通的。与来自驱动电路19的信号同步，除法器16在光源1-1接通时，记录一次光电探测器12和13的输出比，并在光源1-2接通时，再记录一次上述输出比，以此可计算与被测的量成比例的输出。因此，可不受光源和光纤损耗起伏的影响，而测出电场的量值。
在本实施例中，当光源1-1接通时，
光电探测器12的输出是D1-1，
光电探测器13的输出是D2-1，
当光源1-2接通时，
光电探测器12的输出是D1-2，
光电探测器13的输出是D2-2;它们的值分别是：
D1-1∝P1·M1·K1·1/2·α·β2·1/2·β2·K1·M2 （8）
D2-1∝P1·M1·K1·1/2·β2·1/2·K2·L2 （9）
D1-2∝P2·L1·K2·1/2·β2·1/2·K1·M2 （10）
D2-2∝P2·L1·K2·1/2·1/2·K2·L2 （11）
式中：
P1为光源1-1的强度，
P2为光源1-2的强度，
M1为分束器17-1的光源一侧的传输系数，
M2为分束器17-2的光电探测器一侧的传输系数，
L1为分束器17-2的光源一侧的传输系数，
L2为分束器17-2的光电探测器一侧的传输系数，
K1为光纤2-1（包括微透镜3-1和3-2）的传输系数，
K2为光纤2-2（包括微透镜3-3和3-4）的传输系数，
1/2是分束器17-2的耦合因子，
α为入射到偏振光束分束器4、普尔克元件5、1/8波片6-1和半镀银反射镜21构成的偏振光束分束器，并从其上出射的调制光的传输系数，
1/2是偏振光束分束器4的阻尼系数，
β2为普克尔元件5和1/8波片的传输系数。
如果表达式（9）除表达式（8），用表达式（11）除表达式（10），则可以得到下列表达式：
D1-1/D2-1∝·β2·K1·M2/K2·L2 （12）
D2-1/D2-2∝·β2·K1·M2/K2·L2 （13）
如果再用表达式（13）除去表达式（12），则所得的值就与1成比例，因此，与光源和光纤的损耗相应的项就被消掉了。这样，就得到一种不受光源和光纤损耗起伏影响的光学传感装置。
虽然与第一实施例的情况一样，在上述的本实施例中使用普克尔元件作为调制元件，但也可以使用氧化硅铋元件。当测量电场或电压时，可把1/8波片插在起偏振镜和调制器元件之间，而要测量磁场或电流时，应这样来确定氧化锗铋或氧化硅铋元件的长度，使得元件能依靠其旋光本领把偏振面旋转45°。
具有光测弹性效应的材料可用作调制器元件。当需要测量压力时，应将1/8波长插在起偏振镜和调制器元件之间。也可以用法拉第元件做调制器元件。而且，偏振光束分束器可用作分束器17-1和17-2。
Claims (12)
1、一种光学传感装置，包括：第一光源和第二光源;第一光电探测器和第二光电探测器;第一光纤和第二光纤;和一偏振光束分束器，其特征在于，该装置还包括：一用来接收第一光源发出的光线并将第一光电探测器置于其输出端的第一分束器;一用来接收第二光源发出光线并将第二光电探测器置于其输出端的第二分束器;分别通过所述第一和第二光纤与上述第一和第二分束器的另一个输出端耦合的光学传感器，上述光学传感器包括：相对于所述第一和第二光纤按下述次序排列的一个起着起偏振镜的作用的所述偏振光束分束器、一个调制器元件、一个全反射镜;用来交替地接通上述第一和第二光源的驱动电路;一个除法器，当上述第一光源接通时，该除法器确定上述第一和第二光电探测器的第一个输出比，而当上述第二光源接通时，该除法器确定上述第一和第二光电探测器和第二个输出比;及用来计算上述第一输出比和第二输出比之间的比值，从而提供一个与被测的量成比例的输出的装置。
2、根据权利要求1所述的光学传感装置，其特征在于当它用来测量电场或电压时，其中上述调制器元件包括：氧化锗铋元件和氧化硅铋元件之一，以及放在上述起偏振镜和上述调制器元件之间的1/8波片。
3、根据权利要求1所述的光学传感装置，其特征在于当它用来测量磁场或电流时，其中上述的调制器元件包括：氧化锗铋元件和氧化硅铋元件之一，该元件的长度要这样确定，以使偏振面能旋转45°。
4、根据权利要求1所述的光学传感装置，其特征在于当它用来测量压力或位移时，其中，上述的调制器元件包括：一个具有光测弹性效应的材料实体，还包括一个插在上述起偏振镜和上述调制器元件之间的1/8波片。
5、根据权利要求1所述的光学传感装置，其特征在于上述的调制器元件包括法拉第元件和普克尔元件中的一个。
6、根据权利要求1所述的光学传感装置，其特征在于上述的分束器由一个偏振光束分束器组成。
7、一种光学传感装置，包括：第一光源和第二光源;第一光电探测器和第二光电探测器;第一光纤和第二光纤;和一偏振光束分束器;其特征在于，该装置还包括：一用来接收第一光源发出的光线并将第一光电探测器置于其输出端的第一分束器;一与上述第一分束器的另一端耦合，并通过所述第一光纤接收从该第一分束器射出的光线的光学传感器，上述光学传感器包括：相对于所述第一光纤按下述顺序排列的一个起着偏振镜作用的所述偏振光束分束器;一个调制器元件和一个半镀银反射镜;一通过所述第二光纤、与处在上述调制器元件对边的上述半镀银反射镜的一表面光学耦合的第二分束器，而该第二分束器的另一个输出端则设置该第二光电探测器，该第二分束器也接收第二光源发射出的光;用来交替地接通上述第一和第二光源的驱动电路;一个除法器，当上述第一光源接通时，该除法器确定上述第一和第二光电探测器的第一个输出比，而当上述第二光源接通时，该除法器确定上述第一和第二光电探测器的第二个输出比;及用来计算上述第一输出比和第二输出比之间的比值，从而提供一个与被测的量成比例的输出的装置。
8、根据权利要求7所述的光学传感装置，其特征在于当它用来测量电场或电压时，其中，上述的调制器元件包括：氧化锗铋元件和氧化硅铋元件之一;以及一个放在上述起偏振镜和上述调制器元件之间的1/8波片。
9、根据权利要求7所述的光学传感装置，其特征在于当它用来测量磁场或电流时，其中，上述的调制器元件包括：氧化锗铋元件和氧化硅铋元件之一，该元件的长度要这样确定，以使偏振面能旋转45℃。
10、根据权利要求7所述的光学传感装置，其特征在于当它用来测量压力或位移时，其中，上述的调制器元件包括：一个具有光测弹性效应的材料实体，还包括一个插在上述起偏振镜和上述调制器元件之间的1/8波片。
11、根据权利要求7所述的光学传感装置，其特征在于上述的调制器元件包括法拉第元件和普克尔元件中的一个。
12、根据权利要求7所述的光学传感装置，其特征在于上述的分束器由一个偏振光束分束器组成。
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